【采矿机械案例】增材设计优化液压分路阀箱：减少90%的重量

作者：Olaf Diegel，Terry Wohlers

适度的增材制造设计（DfAM）有可能对经济上的成败起着决定性的作用。当增材制造用于生产应用时，零件的设计与重新设计至关重要，否则用传统制造方法生产会更合适。在本研究中，Wohlers Associates公司的Torry Wohllers与Olaf Diegel教授，揭示了工业采矿机械制造商Atlas Copco如何利用DfAM提升液压分路阀箱（hydraulic manifold）的价值。

总部设在瑞典纳卡的一家工具装备制造商Atlas Copco正在探索DfAM，从传统制造向AM转变，以增加其产品和生产流程中的价值。其中的一个应用实例是用于地下钻井平台中（图1）的液压系统分路阀箱。让该公司感兴趣的是，AM大幅度减少阀箱零件的重量，同时又改善了它的功能，因为阀箱是安装在钻井平台延伸吊臂的末端，重量的减轻，显然会对提升平台的功能带来了极大的好处。该项目是由Atlas Copco公司的Fredric Adersson，Magnas Karlberg与Sima Velizadeh，以及隆德大学（Lund University）工程硕士生Henrik Nilsson（领衔）合作开发。

该液压分路阀箱目前是由数控加工制造，由一块钻有很多连接孔的不锈钢块组成，形成了很多互连的通道，以便于液压流体经此流到适当的端口，阀门和传感器也能测量压力值。使用传统方法产生连接通道的唯一方法就是从金属块外部钻洞，然后塞住，内部通道得以保留。

图1. 上一Atlas Copco 坑道钻机， 下—公司的原始阀箱块设计

支撑结构需要重点考量

对金属增材制造进行设计的重要目标之一是在打印零件时尽可能地减少部件支撑所用的材料。AM过程中，支撑材料将零件固定到构建板上，在打印的时候，就可以将热量从零件转移。这个方法减少了因极端热量而引起零件变形的可能性。尤其重要的是要避免支撑材料设置在部件的内部，像阀箱的通道中，因为后期不可能去除。通常，除垂直外任何角度的角，例如45°（确切角度取决于打印制品的真实情况）都需要支撑材料。因此像墙一样的垂直设计可以避免支撑，同时也能提高零件的强度与刚度。

阀箱的功能性也因采用DfAM而得以改善。在原始设计中，进出口的位置取决于哪个方向最容易钻孔，而不是由最适于使用或装配所决定。在重新设计的版本中，出口被移至顶端，唯一的进口则保留在底部，此举大大地减少了阀箱安装在机器上所需的体积。图2为支撑去除前重新设计的阀箱。图3为支撑去除后的阀箱，而图4所示是完成后的阀箱。

图2 具有支撑结构连接增材制造设计的液压系统分路阀箱

图3 去除支撑结构的增材制造设计的液压分路阀箱

图4 抛光后的不锈钢液压分路阀箱顶视和底视图

Atlas Copco 的重新设计阀箱使用了最少量的支撑材料（图5），其所需的支撑物也非常容易在后期去除。金属增材制造重新设计后，阀箱的重量从14.6Kg降至1.3Kg，重量减少90%以上。

图5 优化后的分路阀箱所需的支撑材料

理解简化的设计中的思维过程

在这个阀箱的新设计中，整体的思维过程是不容忽视的。而验证它的一个方式，就是通过使用一个100mm³的钢块制作的简易阀箱来一步步的完成设计（图6）。

图6 显示唯一所需进出通道的简化块设计分路阀箱

整个过程，由清除原设计上的钻孔开始，这些通常被堵住的钻孔是为了制造内部的通道，除此之外没有其他用处。这一步骤的目的是使块状阀箱的表面尽可能的简单，但内部仍保有供液压流体通道。在这个阶段，与原始的垂直通孔相比，加入圆角来平滑流体的流动是很有用的。

减少材料的使用

当钢块的设计被适当简化后，下一步就是去除立方体多余的材料，只留下形成阀箱通道的管道。大多CAD软件产品有脱壳（Shell）功能，能够去除所规定的壁厚的空壳以外的材料。在这种情况下，立方体的六个外表面有选择性的被去除，仅留下壁厚为2mm的内部通道结构（图7）。

图7 脱壳操作前后的分路阀箱设计

使用脱壳的设计版本，将整个阀箱设计可视化就变得更加容易了。因此，确定零件的功能是否能够得到提升，又该如何提升，也会变得更加容易。在这个特定例子中，一个改善方法是修改水平的通道，使其包含一个向上垂直的弯管。如需进行这个操作，最简单的方法就是修改最初的设计，然后再次使用CAD脱壳功能。假设在功能上，整个设计是没有问题的。那么下一步就是从增材制造的优化上来进行检验。需要注意的是，如果这个例子的唯一目的是达到最大限度的减重，那么现在的设计就是完整的，因为它使用了最少的材料。

构建板上的零件定位

在设计的这个阶段，需要考虑的一个重要因素就是打印方向，因为它将影响其他设计的确定。当针对于金属增材制造进行设计时，应当围绕着零部件的打印方向进行设计。这是因为零件的方向影响着各向异性的方向、表面光洁度、孔的圆度以及支撑材料的布置。在这个例子中，可以将直径较大的管道以垂直方向打印。如果是以水平方向进行打印，那么直径最大的管中就需要填充支撑材料，会增加难度以及额外的后处理过程，增加了构建时间与材料用量（图8）。

图8 所需的支撑材料由不同的打印方向所决定

使用类似Magics这样的软件来制作支撑结构时，我们可以看到，所有水平方向的通道之间都产生了支撑材料。在这种朝向中，大直径的管道也是水平的，里面也被填充了支撑材料。

两种打印方向都需要在打印完成后去除支撑材料、进行表面处理，来改善支撑材料与零件接触点的光洁度。然而大直径管道在水平方向打印后，去除管道内的支撑材料有一定的困难。因此，大直径管道的打印方向以垂直最佳。

支撑结构代替案（Alternatives）

值得一看的一个设计思路，是通过在水平方向的通道下添加支撑薄壁来彻底摆脱支撑材料的需求。这个方法中，添加上去的薄壁就担任了支撑材料的角色，同时也是零件上永久性的一部分。在图9中，底部支撑结构的角度被设计为45°，来免除支撑材料的需要。而支撑薄壁上的椭圆形孔，是为了减轻重量而设计的，并且不需要在孔中重新添加支撑材料。在这个设计中，支撑材料仅仅是用来将零部件连接在构建平台上。

图9 左侧为优化后的设计，其所需的支撑材料如右图所示

支撑薄壁还有为零部件增加刚性的功能，这些薄壁将会抵消一部分连接管道时产生的力，有助于降低损坏的风险。

与其他方案相比，图9中的设计需要最少的工作量去除支撑材料，采用电火花线切割或锯削的方式将零部件从构建平台上取下后，快速的喷丸操作可充分抛光其表面。同时，零部件也可能需要螺纹攻丝，可添加材料来适应这种情况（图10）。

图10 材料被附加到管子是为了继后具有45゜角倒角的螺纹攻丝以清除支撑材料之需而备

结论

增材设计（DfAM）中，设计规则与指导方针都是十分重要的。它们包括支撑材料的最小壁厚、孔径大小等。用于管道的材料需要增加，来确保后期加工螺纹的顺利进行。倒角的45°角则是被用于消除支撑材料的，必不可少。原始的阀箱设计重量为7.1kg，而优化设计后的重量却只有600g，重量减少了近92%。
在进行增材设计时，非常重要的一点是有意识的针对设计进行控制。设计之初所做的决策与调整，决定了最终的结果，也决定了后期处理的需求大小。从Atlas Copco的阀箱设计这一例子中，我们不难看出这一点的重要性。通过增材设计来减轻重量、降低制造难度以及提升功能性，可以使零部件的价值大大地增加。

萧玉麟 译自：Metal AM Vol.3 No.3 AUTUMN 2017 pp.103-107

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此文来源于《3D打印世界》第33期，欢迎转载，并请注明来源（转载自《3D打印世界》）
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